智能傳感器仿真加速信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件及相關(guān)校正算法并非易事，而且耗時(shí)長。使用硬件傳感器仿真器可顯著縮短 開發(fā)時(shí)間。例如，造成溫度校正費(fèi)時(shí)的一個(gè)主要原因是在環(huán)境艙中溫度從冷到熱循環(huán)時(shí)間長，可能需要幾小時(shí)溫度才能達(dá)到穩(wěn)定，像典型的三點(diǎn)校正(-55℃、 25℃和85℃)需要八小時(shí)。傳感器仿真器中已經(jīng)設(shè)置了傳感器溫度漂移的模型，這樣控制工程師僅需幾分鐘即可完成仿真校正。這樣一天之內(nèi)可以做很多校正， 節(jié)省了時(shí)間，僅需將注意力集中在傳感器硬件的調(diào)試或開發(fā)校正算法。

傳感器的另一問題是有些傳感器需要昂貴的設(shè)備提供激勵(lì)(比 如，濕度、加速、pH、壓力和拉力)。在很多情況下并不容易接觸這些設(shè)備。使用 傳 感器仿真器可以在使用這樣設(shè)備之前調(diào)試軟硬件，可提高實(shí)驗(yàn)室研究的效率。此外，這些用于產(chǎn)生激勵(lì)的設(shè)備有時(shí)是為特定傳感器而開發(fā)的，未必通過驗(yàn)證。

例如，Contrivance Engineering開發(fā)的定制機(jī)械校正系統(tǒng)用于在傳感器上加力矩。由于傳感器是與那些校正系統(tǒng)同時(shí)開發(fā)的，沒有傳感器仿真器則很難調(diào)試這些傳感器。而 且，如果校正系列一開始就存在機(jī)械振蕩問題，如果沒有仿真器，很難確定振蕩是機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的還是來自電氣系統(tǒng)。

傳感器還可能在不可重復(fù) 的問題，這樣就很難判斷是傳感器的故障還是傳感器的性能所限。比如，壓力傳感器除了延時(shí)外，還會(huì)存在壓力滯后或溫 度滯后，因?yàn)閭鞲衅骱碗娮悠骷ǔ７胖迷诿芊夂兄校@樣就很難判斷故障是來自傳感器的還是電子器件的。傳感器趕集器不存在不可重復(fù)性，因此可評估傳感器電 子器件的精度。

在詳細(xì)講解如何實(shí)現(xiàn)傳感器仿真器之前，可把它視作一個(gè)黑箱。本文的傳感器仿真器用于仿真四元件Wheatstone橋傳感器。由于大多數(shù)橋傳感器提供相關(guān)的溫度傳感器，因此它可效仿兩種不同類型溫度傳感器的效果(二極管和串行電阻)。

圖1 (a和b)分別為要效仿的橋傳感器實(shí)例

橋傳感器示例

PGA309 是典型的信號(hào)調(diào)節(jié)片上系統(tǒng)，它可用于補(bǔ)償溫度漂移和阻性橋傳感器的非線性。圖1a為橋傳感器實(shí)例，其溫度系數(shù)將用于確定電阻電 壓(Rt)。Rt上的電壓為溫度信號(hào)。仿真器可模擬Rt溫度感應(yīng)方法，它提供一個(gè)可編程溫度信號(hào)，根據(jù)溫度信號(hào)調(diào)制橋電壓。該傳感器仿真器還可模擬圖1b 的電路，該圖中二極管用于測量橋溫度。

圖2 傳感器的溫度飄移

圖3 傳感器輸出信號(hào)與激勵(lì)間關(guān)系

圖2描述了傳感器的溫度飄移。傳感器仿真器將三個(gè)不同溫度(室溫、熱和冷)下的飄移建立了模型。圖3為傳感器輸出信號(hào)與激勵(lì)間關(guān)系。通常該信號(hào)僅包括二階非線性。傳感器仿真器將傳感器響應(yīng)與所加激勵(lì)在室溫下五個(gè)分立點(diǎn)及冷熱兩種溫度下三個(gè)分立點(diǎn)的情況分別模擬出來。

傳感器溫度漂移

輸出信號(hào)與激勵(lì)的關(guān)系

傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常調(diào)制激勵(lì)電壓以校正傳感器的非線性。由于Vexc的調(diào)節(jié)可用于校正所加壓力的非線性，因此才可以用于為現(xiàn)實(shí)傳感器建模，即傳感器仿真器輸入Vexc的變化將直接影響所仿真的橋輸出。

圖4 視作黑箱的傳感器仿真器